復雜地質環境公路地質病害誘發機理及其對策研究

田遼西

（甘肅省地質礦產勘查開發局水文地質工程地質勘察院,甘肅 張掖 734000）

與平原地區公路工程相比,山區公路的設計與施工更加依賴自然環境載體,受到地質構造環境的影響更大,因此工程建設任務更加艱巨,投資巨大,建設指標也更嚴格。我國西部山區存在更多樣的不良地質現象且海拔高、地勢起伏大,因此在交通建設過程中更需要切實有效地針對具體地質環境條件的應對技術與方法。通過研究山區公路地質病害誘發產生的條件與發生機理,可指導山區公路建設過程中形成全面集中的、具有針對性的公路建設與維護的技術體系。

1 自然地質環境背景

1.1 地質環境

山區公路建設中面臨的具體自然地理條件限制主要分為如下幾個方面：

1.1.1 地形條件限制：以甘肅省為范例,西北山區多高山深谷,公路建設難度大。地形復雜,山地、高原、河谷、沙漠、戈壁錯落分布,施工區域特征明顯。布線的選擇對于公路建設工程的重要性更加突出,難以避免地需要修建隧道、穿越河谷[1]。

1.1.2 地質構造限制：西北地區地質構造較為復雜,自然地基的穩定性差,容易受到氣候波動的影響,膨脹土與軟土地基分布范圍廣較為常見。周圍生態環境脆弱容易,受施工影響后的恢復期長。部分區域幾年來有地震的記錄,施工地區可見歷史地震形成的斷裂帶,對工程的防震性能提出了更高要求。

1.1.3 水文條件限制：西北山區屬于溫帶大陸性氣候,部分區域由于海拔高屬于典型的高原氣候,晝夜溫差較大,不同地區降水量差異很大,山體滑坡類事故高發。

1.2 地質環境誘發的地質病害

公路建設既會受到自然地質條件的限制,受到不良地質環境與特殊地質現象的負面影響,同時也會導致在建設與運行過程中影響周圍環境、誘發地質病害。這種誘發的地質病害不易發現,具有隱蔽性,在特殊條件下可能引發惡劣的后果,因此需要深入分析其產生的機理才能采取對應的措施,從源頭防治,這在具體施工建設中仍有一定的難度[2]。圖1 為西北山區公路建設過程中地質災害情況的實際范例,其中圖（A）為公路開挖引起的滑坡,圖（B）為路基順層滑坡,圖（C）為泥石流沖擊防護,圖（D）為公路沉陷。

圖1 地質病害實例

2 地質病害誘發機理

西北地區地質的地質病害的破壞形式可分為公路地基沉陷或者位移、滑坡、崩塌和翻漿[3]。

2.1 軟土引發病害的機理

軟土對于公路地基的影響主要表現在地基沉降、邊坡滑移擋土墻變形等。地基沉降與沉陷主要是由于路基自身重力引起的整體沉降或者由于路基下方地質的支撐力不足而導致的兩側外力擠壓形成的結構沉陷,沉陷對于路面的破壞性更大[4]。

軟土含水量較大的情況下會獲得較大流動性但是透水性和常規土質相比的更低,因此有外加壓力時候,容易進入流變狀態,支撐力下降形變量快速增加,這種條件下容易誘發公路地基的沉降,且沉降明顯不均勻,進一步導致路基橫向或者縱向開裂。

軟土地基在壓力狀態下的沉降量記為:

其中：La（t）為研究時間范圍內的排水主固沉降量,Lb（t）為次固結沉降,而LC為瞬時沉降量。LC的大小僅與軟土的自身性質有關,因此可以用經驗常數代替。主固沉降主要土質中的間隙在壓力的作用下從土體中向外流動,范圍內的土質被壓縮引起整體沉降。隨著壓力作用,土質密度逐漸上升孔隙率逐漸下降因而沉降量隨著時間遞減。次固體沉降的變化很大,主要發生在主固沉降之后,此時有機質黏土發生蠕變,沉降量開始呈現不均勻的特性[5]。

軟土地質對路基沉降或者沉陷的影響大小與軟土埋藏深度有關,各埋深的軟土樣力學特征參數的測試平均值如表1 所示。

表1 土樣的力學測試平均值

由力學分子可知軟土層的埋層越淺,對路基的影響越大,越容易導致滑移現象的發生,路基發生非常規沉陷和沉降的風險。同時路基形變同時會影響邊坡結構導致溜方和滑坡。

2.2 膨脹土引發病害的機理

膨脹土病害多發生在甘肅西南部分地區,病害引發多與土質自由膨脹率有關,膨脹率越大,土體開裂的可能性越大,可能引發路基滑塌[6]。

一般當公路路基宏觀斷面與開挖坡面的傾斜角角度差距在5%以內時,側面土體壓在臨空面上會驟減以至于剪應力在宏觀斷面上迅速集中,導致坡體受力狀態變化,穩定性降低,順著潛伏斷面下滑,使得路基出現不規則折線形狀的斷裂破壞面,嚴重失衡時滑動深度會超過7m。當公路路基宏觀斷面與開挖坡面的傾斜角不一致且不存在斷裂面時候,側面土體壓力減小會導致膨脹土形變,而剪應力在坡腳部位集中,坡體上部需承受拉應力,當剪應力與拉應力超出土體的承受范圍,土體整體性被嚴重破壞,強度迅速降低,僅有殘余值水平。隨著壓力變化,這種結構破壞逐步向下擴展,向四周發育,直至形成連續滑動面,導致滑坡[7]。

2.3 巖堆病害機理

山地公路建造過程中巖堆是較為常見的一類不良地質,大部分巖堆都是現代地基而成,表面堆積坡度一般與組成物的天然安息角度偏差不大,內部呈現外傾斜層理,角度與表面堆積角近似。這種現代堆積巖堆由于孔隙率大且不均勻,因此大多呈現比較松散的狀態,但也有部分巖堆在風化作用下,孔隙中進入大量細小而顆粒物,顆粒物呈現能凝態形成比較密實的粘結體而硬度較好。這種硬度不均勻的分布狀態使得在具有壓力荷載的情況下很容易產生剪切力使土基發生沉陷。由于巖石堆多坐落在斜坡上,更容易受到下滲地下水的額影響,接觸面在水分作用下能提供的粘結力會急速降低,巖堆穩定性減低。在規定內的壓力作用下也可能發生滑移,導致公路路基形變或者邊坡塌陷。

當工程選區地質組成多為板巖或者片巖石時巖堆病害記錄較多,此外由硬度差距較大的巖層組成的峽谷區的陡坡坡腳也是巖病害的高發區域,這主要是由地質構造決定的,斷裂帶內部巖層遭到破壞,裂隙本身較為發育,若是發生在河谷區域,裂隙沿著斷裂帶發育,這種強烈的錯動力會對巖層的完整性造成破壞,碎落物堆積形成巨大的巖堆,如圖2（A）所示。若是發生在河谷的背部,則會沿著軸向發育,裂隙發育集中,碎落物質在兩岸堆積,如圖2（B）所示。

圖2 河谷巖堆示意圖

形成的巖堆本性質結構本就不穩定,與塊巖石之間的粘結力不強時候會形成受力容易發生形變的軟弱層,一旦填土施加負載很容易發生滑移形變。此外,路堤建設會對地基產生豎向的壓力,在壓力作用下路基會在受力方向向下的一側產生橫向變形。

2.4 病害誘發鏈

復雜地質環境下地質病害是各類因素綜合作用的結果,雖然有主要的誘因但也有其他因素的參與作用,實際上產生過程是一個基于地質環境、施工活動、自然因素三類主要因素共同構成的綜合誘發鏈作用的結果,具體的誘發鏈總結如圖3。

圖3 病害誘發鏈示意圖

3 復雜地質環境公路路基工程技術

3.1 公路路基工程技術

西北地區地勢復雜,公路線性受到山地環境的影響,傳統的地基結構很難適應山地復雜地勢的施工需求,建設難度大,因此多采取路臺懸出的特殊形式。

圖4 可見,這種單懸臂結構主要依靠橫挑梁作為支撐,使澆筑板從巖體本身懸掛出去來滿足路基設計的寬度要求。這種路基形式可以有效地減少開挖量,施工要求不高,在西北山區公路的修建中被廣泛選用,尤其適合受到地形限制無法擴寬路面的狹窄陡峭的路段。為了增強懸出結構的整體性,在吊臺橫挑梁的懸臂上架設鋼筋混凝土板,且在挑梁靠近基礎的設施混凝土基座,保證巖體連接的穩定性與整體性。橫挑梁需要采取進一步的加固穩定措施,在靠近山體的一側,設置兩根錨桿,長度滿足抗拔需求,同時挑梁深入山體后進行錨固,使系統整體處于受力較平衡的狀態[8]。

圖4 路臺懸出結構平面圖

3.2 軟土環境下工程技術

處于軟土環境中路臺懸出結構的公路路基的建設需要對軟土地面以上和以下的土質進行相對應的處理。軟土地面以上的部分進行堆載預壓,而后敷設加筋路預墊層。地表以下的淺層需要采用顆粒性物料進行輔助充填,壓力狀態下進行擠淤置換,從而改善受力結構。深層結構在優化排水方式的基礎上做下沉的剛性樁,采用側向限制法來限制軟土的流變[9]。

這種綜合方案是在軟土力學性質的基礎上綜合采用壓力填充擠淤與側向限制技術的基礎上,通過機械力來改變軟土表層土質結構以形成一層有足夠厚度的土基礎。側向限制需要從側向打入限制木樁兩排以上,木樁截面周長不小于50 公分,長度大于4m,間距在半米以內且不能垂直放置,需向路中傾斜一定角度,一般在10°左右。這種限制方法不僅可以防止軟土的流變,而且在流變后通過對周圍的土體進行擠壓而形成反作用力,增大了路基土體的有效保護范圍,可以有效防止泥漿的上翻。保護范圍內側向樁可以使地基處于側向受限的狀態,進一步加強了軟土與填充物的沉降固結的速度,形成復合式的受力層,進一步保護了地基[7],有效緩解地基沉陷。以西秦嶺亞區山地公路工程為例,投入使用后的監測數據繪制的沉降曲線如圖5。

圖5 側向限制路段沉降曲線圖

由于沉降曲線可看出壓力填充擠淤與側向限制綜合法在控制公路路基沉降方面效果良好。

3.3 膨脹土環境下的工程技術

膨脹土地區路基處理最簡單有效的方法是換土,但工程量大,為了減小對周圍環境的影響,可采用包封法,利用黏土將范圍內的路基進行包封,避免土質的遷移,必要的時候加入塑性劑,改善膨脹土的形變特質達到維持水土平衡的目的。[8]考慮到膨脹土支撐能力呈現衰減趨勢的力學特性,初始時候具有較強的應力水平但是開挖后壓力變化導致固結應力釋放,由于后續風化作用的影響,邊坡的穩定性也逐步降低,因此邊坡形式需要考慮膨脹土的類別和邊坡的高度進行選型,經過分析各地區邊坡選型的數據,膨脹土地區多選折線式與平臺式,二者的一般結構如圖6 所示。

圖6 邊坡結構示意圖

膨脹土引起的邊坡形變的類型多變,大多數屬于表層破壞,而引發的路堤破壞多結構病害,為加強路堤邊坡的原土穩定性,一般將路堤坡面人為分為多個短小坡面,對每個坡面的土體進行固著,同時進行反壓護道,加固陸地邊坡,增強支撐力[9]。

3.4 巖堆環境下的工程技術

由巖堆的形成過程可知,巖堆很容易受到工程擾動的影響,這種松散的堆積體的失穩具有突發性,在路基工程中多數發生在路基開挖的階段,一般會直接引起邊坡的坍塌。在路基填筑過程中則表現為沉降與形變,甚至因為負載增加而發生巖體整體失穩定坍塌。為了防止這種現象的發生了除了常規的做好排水措施外還需要在施工過程中做特定的支護,在邊坡修建擋土墻和噴制混凝土護面,一般擋土墻需要嵌入基巖,具體結構如圖7所示。

圖7 擋土墻示意圖

如圖7 所示,這種加固結構適用于大多數在巖堆體上部修建路堤的工程,與巖堆體下部修建的工程相比,這種情況修建的路堤處于傾斜狀態,更不穩定。巖堆體坡面傾斜角度較大時,如圖中所示的傾斜角為48.9°的情況,擋土墻可以發揮較好的固定作用。一般擋土墻的角度需要參巖堆天然安息角對應的邊坡的角度。

4 結論

4.1 在分析實際工程資料基礎上,對西北地區復雜地質環境下的基本病害類型及其產生機理進行了討論,重點分析了特殊類土質環境下公路地基病害。

4.2 根據特殊土質的力學特性分析了誘發公路路基沉降、沉陷以及邊坡形變位移的內在機理和過程,為分析此類地質條件下的施工技術與防治措施提供了理論基礎。

4.3 復雜地質環境下公路的地基選型與常規地基不同,特殊土質環境中的路臺懸出結構的路基建設過程需有針對性地采取加固與防治方案。結合病害誘發產生的機理,各施工技術與防治技術要形成體系組合,以有效應對公路路基病害,達到有效防治的目的。